ЕНКМ_3 часть

Правда, небольшое число нейтронов будет все-таки рождаться при взаимодействии между ядрами дейтерия.

Возможны и некоторые другие типы реакций (к примеру, в более отдалённой перспективе реакция гелия-3 (3He) и бора–11 (11B)). Выбор топлива зависит от многих факторов – его доступность и дешевизна, энергетический выход, лёгкость достижения требующихся для реакции термоядерного синтеза условий (в первую очередь, температуры), необходимых конструктивных характеристик реактора.

Рис. 2.10: Реакция дейтерий и литий–6.

2.2.3 Горение или взрыв?

Из трех указанных параметров термоядерного синтеза – один, температура, фактически задается выбранной реакцией. Соотношение двух других может варьироваться. Соответственно есть два пути:

161

относительно низкая плотность топлива и продолжительное время удержания, либо, максимально возможная плотность при небольшой продолжительности реакции.

На первом пути наибольших успехов удалось добиться, изолируя горячую плазму от контакта с холодными стенками реактора с помощью магнитного поля (А.Д. Сахаров, И.Е. Тамм, 1950 г.). Это технология магнитного удержания. Она основана на способности магнитного поля оказывать давление на плазму и снижать ее теплопроводность. В этом случае для удержания плазмы в некотором объёме используется магнитная ловушка – устройство, удерживающее плазму от контакта с элементами термоядерного реактора, то есть использующееся, в первую очередь, как теплоизолятор. Принцип удержания основан на взаимодействии заряженных частиц с магнитным полем, а именно на спиральном вращении заряженных частиц вдоль силовых линий магнитного поля. Однако, замагниченная плазма очень нестабильна. В результате столкновений, заряженные частицы стремятся покинуть магнитное поле. Поэтому, для создания эффективной магнитной ловушки, используются самые мощные электромагниты, потребляющее огромное количество энергии. Современные сверхпроводящие электромагниты могут поддерживать в большом объеме магнитное поле напряженностью 5-6 тесла, создающее давление около 100 атмосфер. Для надежного удержания давление плазмы не должно превышать нескольких процентов от этой величины. Для получения положительного выхода энергии плазму нужно удержать несколько секунд.

162

Для нагрева и удержания плазмы магнитным полем при относительно низком давлении и высокой температуре применяются тороидальные камеры в виде токамаков (был разработан группой российских ученых под руководством акад. Л.А. Арцимовича), стеллараторов и зеркальных ловушек, которые отличаются конфигурацией магнитого поля. Реактор ITER имеет конфигурацию токамака.

Второй путь реализован пока только в термоядерной бомбе. Топливо здесь имеет плотность твердого тела – за счет срабатывания запала в виде атомной бомбы. Давление такой плазмы миллионы атмосфер. Такой способ удержания называется инерционным, так как в этом случае удержание осуществляется за счет сил инерции.

Для того чтобы термоядерный микровзрыв произошел нужно успеть нагреть за миллиардные доли секунды топливный шарик до термоядерной температуры. Сделать это можно с помощью мощных лазеров. Такие эксперименты проводятся уже около 30 лет. В таких реакторах УТС осуществляется путем кратковременного нагрева небольших мишеней, содержащих дейтерий и тритий, сверхмощными

лазерными или ионными импульсами. Такое облучение вызывает последовательность термоядерных микровзрывов.

Лазерные лучи со всех сторон направляют на мишень, содержащую термоядерное топливо. Это смесь дейтерия и трития, охлажденная ниже температуры плавления водорода (–263 ºC). Под действием светового давления и реактивной силы от испаряющегося с поверхности вещества происходит одновременно сильное сжатие и нагрев мишени. Расчеты показали, что если достичь плотности в 1

163

000 раз выше плотности твердого водорода, то одного миллиона джоулей будет достаточно для того чтобы поджечь термоядерную реакцию. Пока в эксперименте плотность возрастает всего в 30-40 раз. Основная проблема – недостаточная равномерность освещения мишени.

Рис. 2.11: Мишень для инерционного синтеза состоит из полой оболочки (1), слоя твердой замороженной ДТ смеси (2)

и ДТ газа низкой плотности в центре мишени (3).

Для более равномерного сжатия в последнее время стали применять схему непрямого облучения мишени. Твердый дейтерийтритиевый шарик помещают в оболочку из материала с большим зарядом ядра, урана или золота. Лазерные лучи входят в нее через два окна, так, чтобы, не задев мишень, осветить внутреннюю поверхность оболочки. Она сразу превращается в слой горячей плазмы, испускающей мощное рентгеновское излучение, которое намного равномернее освещает мишень, вызывая ее сжатие.

Ожидается, что таким способом удастся достичь сжатия мишени в 4 000 раз. Однако и этого мало, так как КПД лазера составляет

164

около 2 %, а значит, выигрыш в полученной энергии будет всего несколько раз.

Возможно ситуация улучшится если разделить задачи сжатия и нагрева. В качестве спички для поджига мишени, предварительно сжатой обычными лазерами, можно использовать лазеры с очень коротким импульсом – 10-11 секунды.

Еще одна проблема инерционного термоядерного синтеза – необходимость взрывать заряды несколько раз в секунду. Пока столь мощные лазеры дают по одному импульсу в несколько часов. Продолжение этой идеи состоит в использовании ускорителей ионов: КПД таких устройств значительно выше, и они могут работать с высокой частотой. Но из-за электрического отталкивания ионов пучок трудно сфокусировать до нужного диаметра.

В целом положение с инерционным синтезом выглядит не слишком обнадеживающим. Но исследования в этом направлении не останавливаются.

2.2.4. Тороидальные ловушки

Использование магнитного удержания плазмы выглядит более перспективным подходом к УТС. Главным препятствием на этом пути были различные неустойчивости. Плазма легко перетекает из области с сильным магнитным полем, туда, где оно слабее. Ее давление в этом месте возрастает, вдобавок в ней возбуждается электрический ток, способный временно ослабить магнитное поле. В результате плазма может вырваться из области удержания.

165

Наиболее успешным способом удержания оказались

тороидальные магнитные ловушки. Если плазму замкнуть в кольцо, придав ей форму бублика (тора), и наложить вдоль тора магнитное поле, оно будет препятствовать движению плазмы поперек силовых линий. Вдоль силовых линий частицы плазмы могут перемещаться свободно, но при этом они все время удерживаются внутри ловушки, не сталкиваясь со стенками.

Рис. 2.12: Удержание плазмы в токамаке (ТОроидальная КАмера с МАгнитными Катушками).

Правда и здесь не все просто. Магнитному полю в тороидальной ловушке надо придать сложную винтообразную конфигурацию. Решая эту проблему, американские и советские физики пошли разными путями. Л. Спитцер выполнил ряд фундаментальных исследований по физике плазмы и управляемому термоядерному

166

синтезу. В результате им была предложена система удержания горячей плазмы сильным магнитным полем, которая получила название стелларатор.

В Советском Союзе для создания винтового поля в тороидальной камере решили пустить электрический ток прямо в плазме. Идея оказалась настолько удачной, что название установки токамак, образованное от слов «ток», «камера» и «магниное поле», теперь известно всему миру.

Рис. 2.13: Схема термоядерного реактора, работающего на смеси дейтерия с тритием.

С тех пор идет постоянное соперничество между токамаками и стеллараторами. Вначале весьма успешно развивались исследования на стеллараторах. Были изобретены различные и апробированы различные способы нагрева плазмы – током, текущим по плазме, магнитной накачкой, радиоволнами, придумано эффективное устройство для очистки плазмы от примесей. Температуру плазмы удалось довести до 1 миллиона градусов, но со временем удержания

167

дела обстояли неважно – оно составляло лишь тысячные доли секунды, с ростом температуры оно лишь сократилось.

2.2.5. Токамаки

Причиной быстрого прогресса токамаков заключается в явлении самоорганизации плазмы. Это явление было открыто Б. Кадомцевым (1987 г.). Основные работы Б. Кадомцева посвящены физике плазмы и проблеме управляемого термоядерного синтеза. Он предсказал некоторые виды неустойчивости плазмы и заложил основы теории явлений переноса (диффузии и теплопроводности) в турбулентной плазме. Дал количественное объяснение явления аномального поведения плазмы в магнитном поле. Ряд его работ посвящен проблеме термоизоляции плазмы в тороидальных камерах. В 1966 г. открыл неустойчивость плазмы на так называемых запертых частицах.

В экспериментах на токамаке Т-10 в Курчатовском институте атомной энергии, а затем других токамаках было обнаружено, что плазма стремится принять такую форму, при которой удержание получается наилучшим. Если ей не мешать, эта форма устанавливается сама собой.

Еще лучшие результаты получаются при возникновении в плазме транспортных барьеров – узких зон с резко пониженной теплопроводностью. Это приводит к увеличению времени удержания плазмы примерно вдвое. Впервые такой режим открыли на немецком токамаке ASDEX (1982 г.). Понадобилось около 15 лет, чтобы

168

разобраться со сложным взаимодействием электрических и магнитных полей, вращения и дрейфа частиц плазмы, которые приводят к образованию транспортных барьеров. Однако теперь ученые знают, как получить режим наилучшего удержания. Это заставило отложить строительство реактора ITER. По новому проекту ITER стал меньше – радиус тора сократился с 8.2 до 6.3 метра.

Основная проблема на токамаках – это радиационный барьер. Прорываясь сквозь магнитное поле, плазма касалась фарфоровой стенки камеры и загрязнялась атомами кремния, углерода, кислорода. Они ярко светились, и вся вкладываемая в плазму энергия уходила с этим излучением. Температура не поднималась выше 100-300 тысяч градусов. Преодолеть радиационный барьер удалось в результате долгой и кропотливой работы по совершенствованию конструкции. Фарфор заменили нержавеющей сталью: при прогреве до 300 0С из нее уходит вода, а с ней кислород. Введение безмасляной откачки с помощью титановых и турбомолекулярных насосов значительно снизило поступление в плазму углерода. Удалось подавить грубые колебания плазмы. Все это позволило в 1968 г. достичь на токамаке Т- 3 температуры 10 миллионов градусов.

После успехов советских ученых на токамаках, американские специалисты стали уделять токамакам значительно большее внимание. Началось триумфальное шествие токамаков.

За прошедшие 40 лет объединенными усилиями ученых всего мира проделана значительная работа по исследованию удержания плазмы в токамаках. Изучены основные закономерности и механизмы переноса тепла и частиц, разработаны методы измерения плотности и

169

температуры плазмы, электрических и магнитных полей. Созданы базы данных об исследованиях поведения плазмы в разных условиях. В настоящее время необходимая температура в 100 миллионов градусов достигнута и даже превзойдена, правда, при меньшей, чем необходимо плотности плазмы.

Рис. 2.14: Представление тороидальной магнитной камеры Объединенного европейского Торуса Joint European Torus (JET)

в Центре Науки Кульгам (Culham).

На самом большом токамаке JET, построенном Европейским Союзом в Великобритании, мощность термоядерной реакции достигает уже 16 000 киловатт, возвращая около 40 % от вложенной в плазму энергии.

170